Транспортные и мультисервисные системы и сети связи. Часть 1

Однако маловероятно обеспечить качество, ожидаемое пользователями интерактивной голосовой телефонии и других приложений реального времени, когда ограничения пропускной способности приводят к существенному увеличению величины задержки или к потерям пакетов.

Для того чтобы реализовать полностью полезный эффект от конвергенции, будущие,

основанные на IP-сети, нуждаются в использовании новых принципов разделения ресурсов, способных надежно обеспечить дифференцированное QoS для большого и многообразного набора пользовательских приложений, включающих, что особенно важно,

голос поверх IP (VoIP).

Решения QoS из конца в конец для IP делают возможной успешную конвергенцию

IP/ТфОП, которая может быть реализована, например, в три шага:

1.Выполнение сетевыми провайдерами соглашений относительно общего набора параметров производительности IP и требований QoS.

2.Развертывание сетевых механизмов, поддерживающих заданные требования QoS на участке терминал-терминал.

3.Внедрение требований QoS в протоколы сигнализации для возможности создания по запросу IP-потоков с гарантированным QoS.

13-я исследовательская группа Международного Союза Электросвязи (сектор стандартизации телекоммуникаций) - МСЭ-Т недавно выпустила два международных стандарта (рекомендации), которые выполняют первый из этих трех шагов. Первая рекомендация, Y.1540, определяет стандарты параметров производительности для передачи пакетов в IP-сетях. Вторая, Y.1541, специфицирует требования к стыку сетевой интерфейс-сетевой интерфейс (network-interface-tonetwork-interface, NI-NI) для параметров рекомендации Y.1540 и группирует эти численные требования по шести классам QoS для

IP-сетей. Далее будет описываться развитие этих новых рекомендаций, выводы по их техническому содержанию, а также будет определено, что еще необходимо сделать для оптимизации их использования в будущих IP-сетях, гарантирующих QoS.

5.1.2. Рекомендация Y.154Q

Рекомендация Y.1540 определяет параметры, которые будут использоваться для спецификации и оценивания скорости, точности, надежности и готовности передачи IP-

пакетов в международных сетях передачи данных. Параметры могут быть использованы для описания IP-потоков из конца в конец и отдельных частей сети, поддерживающих такие потоки. В соответствии с определениями Y.1540, транспорт без установления соединения является отличительной чертой IP. Y.1540 применяется к IP-потокам с

72

использованием IP протокола четвертой версии (IP Version 4, IPv4). Однако здесь следует отметить, что принципы и рекомендации для протокола IP шестой версии (IPv6) остаются теми же самыми.

Предполагаемые пользователи рекомендации Y.1540 - это провайдеры IP-сетей,

производители оборудования и конечные пользователи. Провайдеры будут использовать

Y.1540 при планировании, разработке и оценивании IP-сетей во взаимодействии с необходимой пользователям производительностью. Один крупный сетевой провайдер уже использует параметры рекомендации Y.1540 для мониторинга производительности передачи пакетов. Производители будут использовать Y.1540 при разработке и сбыте оборудования, согласующегося со спецификациями провайдера. Конечные пользователи будут применять рекомендацию для оценки производительности IP-сетей по фактическому взаимодействию между терминалами.

Процесс разработки параметров. На рис. 6.1 показан трехшаговый процесс, который традиционно использовался 13-й исследовательской группой ITU-T при разработке параметров работы цифровых сетей, и в данном же контексте установлены границы рассмотрения рекомендации Y.1540.

Первый шаг заключается в определении интерфейсов, для которых будут применяться параметры специфических событий, которые могут происходить на данных интерфейсах.

Сеть моделируется как объединение сетевых сегментов, соединенных каналами передачи данных (звеньями обмена). Интерфейсы между ними, названные точками измерения

(Measurement Point, MP), являются функциональными границами, на которых могут быть проведены наблюдения стандартизированных протоколов. Важные, с точки зрения работы, события, которые могут быть посчитаны, измерены во времени или сравнены в точках измерения (MP), будем называть опорными событиями (Reference Event, RE).

Специфические опорные события определяются протоколом интерфейса.

Второй шаг заключается в определении набора первичных параметров, которые в совокупности характеризуют работу сети. Первичные параметры связаны с частными коммуникационными функциями и описаны в терминах опорных событий.

Коммуникационная функция определяет ожидаемую реакцию сети (или сетевого сегмента) на специфическое внешнее воздействие; воздействия и реакции являются опорными событиями.

73

При описании работы цифровой сети обычно используются три общих коммуникационных функции: доступ, передача пользовательской информации и освобождение.

Согласно статистике, параметры работы случайным образом изменяются на некотором пространстве выборок, которое различает возможные исходы, которые могут быть у функции работы. Для любой дискретной функции можно различить три общих типа исходов: успешная работа, неправильная работа и невыполнение. Соответствующие пользователю критерии работы - это: скорость, безошибочность и надежность. Они связаны с общими коммуникационными функциями в известной матрице размерностью

3x3. Для описания каждой комбинации функция/критерий в матрице определен один или несколько первичных параметров. Матричный подход помогает удостовериться, что не пропущен ни один существенный атрибут.

Третий шаг при разработке параметров заключается в определении набора параметров готовности для описания работы с более долговременной точки зрения. Параметры готовности определяются на основе наблюдаемых значений для подмножества первичных

74

параметров, параметров решения о готовности. Канал связи между парой (или больше)

пользователей может находиться в одном из двух состояний: готовном или неготовном,

что определяется функцией готовности, которая сравнивает наблюдаемые значения параметров принятия решения с соответствующими критическими порогами за последовательные периоды наблюдения. Параметры готовности характеризуют бинарный вероятностный процесс в статистических терминах.

При разработке Y.1540 13-я исследовательская группа согласилась, что точки измерений (MP) являются юридическими границами, которые разделяют независимо управляемые IP-сети (автономные системы) и пользовательские терминалы. Подходящим интерфейсным протоколом является IPv4, а подходящими информационными блоками - IP-пакеты.

Опорное событие передачи IP-пакета (IP Packet Transfer Reference Event, IPRE) для указанной пары источник/получатель (SRC/DST) происходит, когда IP-пакет с определенными IP-адресами SRC/DST (и правильной контрольной суммой заголовка)

пересекает MP. Единственная коммуникационная функция, к которой обращается рекомендация Y.1540 - это передача IP-пакета (IP packet transfer), функции доступа и освобождения не рассматриваются. Это отражает тот факт, что сегодня IP-сети - это сети без установления соединения. ITU-T SG 13 и другие исследовательские группы разрабатывают параметры работы для IP-сетей, которые могли бы поддерживать такие функции в будущем (например, установление и разъединение ориентированных на соединение потоков).

Рекомендация Y.1540 определяет четыре индивидуальных результата передачи пакета,

основанных на опорных событиях (RE) в точках измерений (MP), что в упрощенном виде показано на рис. 6.2. Приходящий в сегмент IP-пакет, на входящей MP может столкнуться со следующими исходами: успешная передача, ошибка или потеря.

IP-пакет, который появляется на входящей MP без соответствующей исходящей, будем называть ложным. События и результаты при передаче IP-пакета в рекомендации Y.1540

определены более формально, принимая во внимание общую информацию маршрутизации и возможность фрагментации пакетов. Различная маршрутизация объясняется определением в данное время и для данного IP-потока из конца в конец набора допустимых входящих и исходящих MP. Фрагментация пакетов объясняется определением результатов передачи пакетов когда RE на одной MP кончается несколькими соответствующими событиями на других MP. (Y.1540 также определяет результат потери мультипакетного блока и связанный с ним параметр - коэффициент потери блоков для определения и ограничения последовательных или сгруппированных

75

(пачечных) событий потери блоков). Рабочие параметры передачи IP-пакетов.

Рекомендация Y.1540 определяет пять рабочих параметров передачи IP-пакетов на основе результатов, приведенных на рис. 6.2.

Задержка передачи IP-пакета (IP Packet Transfer Delay, IPTD) – это время (t2 – t1) между возникновением двух, связанных с передачей IP пакета, событий: входящее событие RE1 в

момент времени t1 и исходящее событие RE2 в момент времени t2, где (t2 > t1) и (t2 – t1) ≤

Tmax. IPTD определен для всех удачных и ошибочных результатов передачи пакетов. Если пакет фрагментирован, то t2 - это время соответствующего последнего выходного события. Подразумевается, что задержка передачи IP-пакета, специфицированная в рекомендации Y.1541 - это среднее арифметическое задержек IP-пакетов.

Джиттер задержки IP-пакетов (IP Packet Delay Variation, IPDV) определяется на основе наблюдений соответствующих потоков IP-пакетов на входящих и исходящих MPs (например, MP1 и МР2 на рис. 6.13). Джиттер задержки пакетов (vk) для IP-пакета к между МР1 и МР2 - это разность между абсолютной задержкой (хk) передачи IP-пакета и определенной задержкой (d1,2) передачи контрольного IP-пакета между этими самыми

MPs: vk = хk - d1,2. Задержка передачи контрольного IP-пакета d1,2 между SRC и DST - это абсолютная задержка передачи IP-пакета, определяемая первым IP-пакетом между этими двумя MPs. (Положительные значения IPDV соответствуют большим задержкам пакета,

чем определенные контрольным пакетом, а отрицательные значения - соответственно меньшим. Распределение !PDV идентично распределению абсолютных задержек передачи пакетов, сдвинутых на постоянную величину d1,2).

76

Коэффициент потери IP-пакетов (IP Packet Loss Ratio, IPLR) – это отношение общего числа потерянных пакетов к общему числу переданных пакетов в общей совокупности.

Уровень ложных пакетов (Spurious IP packet rate, SIPR) на исходящей MP - это общее число ложных пакетов, наблюдаемых на исходящей MP в течение определенного интервала времени, ограниченного длительностью этого интервала (например, число ложных пакетов в секунду). Этот параметр выражен как уровень за определенное время, а

не как отношение, поскольку механизмы, причиной которых является появление ложных пакетов, имеют мало общего с числом переданных IP-пакетов.

Хотя и не исчерпывающе, эти параметры вместе описывают основные рабочие отношения пользователей IP сетей. Задержка передачи IP-пакета описывает среднее время, затрачиваемое сетью на передачу пакета между входящей и исходящей MP.

Ограничения IPTD будут решающими для успешного развертывания VoIP,

видеоконференцсвязи и приложений реального времени и будут оказывать сильное влияние на принятие клиентами других услуг. Изменение задержки пакетов характеризует

77

джиттер во времени опорных событий передачи пакета на исходящем интерфейсе по отношению к соответствующей модели входных событий. IPDV должен контролироваться для избежания недогрузки или перегрузки IP-маршрутизаторов или буферов терминалов.

Коэффициент потери IP-пакетов выражает вероятность того, что пакет, вверенный сети на входном интерфейсе, не доставлен соответствующей выходной точке (точкам).

Коэффициент IPLR должен ограничиваться для гарантирования разборчивости и приемлемого качества изображения для голосовых и видеоприложений реального времени, а также обеспечения приемлемого качества других приложений. (Учет последовательной потери пакетов представляет особый интерес для некоторых неэластичных приложений реального времени, таких как голос и видео. Коэффициент потери блоков - один из путей для характеристики таких событий). Коэффициент ошибок

IP-пакетов и уровень ложных пакетов выражают вероятность, что данные пользователя на выходном интерфейсе отличаются от входных данных в результате искажения,

дублирования или неправильной маршрутизации в сети.

В нормативном наборе рекомендаций Y.1540 отсутствуют любые параметры, которые описывают скорость передачи данных пользователя или пропускную способность,

обеспечиваемую сегментом сети. Y.1541 обращает внимание на то, что производительность и другие связанные с потоками вопросы рассматриваются, используя дескриптор трафика IP-сети, определенный в сопутствующей рекомендации Y.1221. База

78

для возможной будущей работы по определению метрик большой пропускной способности представлена в RFC 3148.

Параметры готовности. Как определено в Y.1540, готовность относится к однонаправленному IP-потоку между определенной парой (или набором) MP. В Y.1540

функция готовности определяет IPLR как единственный параметр принятия решения о доступности. Для данного потока сетевой сегмент определяется как готовный на отрезке наблюдения, если наблюдаемое значение IPLR для потока ниже порога c1. Иначе сегмент не готовен. Y.1540 определяет значение c1 равное 0,75 и отмечает, что спецификации ожидаемого значения IPLR должны исключать все периоды неготовности (т. е. все интервалы времени, в течение которых наблюдаемое значение IPLR превышает Ст).

Рекомендация определяет минимальный период наблюдения готовности в 5 мин. (Мониторинг низкоуровневой работы и ошибок сетевых элементов может разрешить идентификацию надвигающейся неготовности в более короткое время и направить корректирующее действие.) Определение готовности предназначено для использования в работе характеризуемой сети как для нормального трафика между источником и получателем, так и для синтетического трафика, генерируемого наборами тестов или другими устройствами измерения. Y.1540 отмечает, что испытательный трафик должен быть ограничен так, чтобы это не вызывало перегрузок, которые могут исказить результаты испытаний.

Рекомендация Y.1540 определяет два рабочих параметра готовности. Для данного сетевого сегмента и потока процент готовности – это доля от запланированного времени готовности, в течение которого сегмент фактически поддерживает поток в готовном состоянии. Процент неготовности - это дополнение предыдущего параметра, т. е. доля от запланированного времени готовности, в течение которого поток является неготовным.

При любом задании сумма двух значений равна 100 %. Базовый период для планирования времени готовности ограничен, чтобы исключить любые согласованные периоды неготовности (например, запланированное время простоя для профилактического техобслуживания).

5.1.3. Рекомендация Y.1541

Рекомендация ITU-T Y.1541 определяет числовые значения, которые должны быть достигнуты на международных отрезках IP-сетей между оконечными терминалами пользователей для каждого из ключевых параметров работы, определенных в рекомендации Y.1540. Указанные значения сгруппированы в некоторое число различных классов QoS для установления практической базы для связи между конечными

79

пользователями и провайдерами сетей, а также и среди провайдеров по качеству, которое будет поддерживаться из конца в конец на отрезках IP-сетей. С одной стороны, операторы сетей признают, что работа из конца в конец ограничивается самым плохо работающим сегментом сети, и требования пользовательских приложений могут быть удовлетворены только, если каждая из объединенных сетей разработана и функционирует с учетом этих требований. С другой стороны, операторы знают, что наличие рабочих спецификаций дает ощутимый толчок сетевой экономике, играя роль в дифференциации конкурентоспособного продукта и маркетинге, и если оператор берет на себя определенные обязательства, то пользователи ожидают их выполнения. То что эти переговоры регулярно следуют, позволяет, несмотря на технологическое разнообразие независимо управляемых сетей, сотрудничать в обеспечении надежной,

высококачественной всемирной связи. При определении характеристик работы из конца в конец для конкретных пользовательских приложений и сетевых технологий, 13-я

исследовательская группа ITU-T применила два исторически сложившихся, дополняющих друг друга и конкурирующих подхода для оценки работы. Первый «нисходящий» метод переводит требования приложения пользователя и ожидаемое качество в числовые значения стандартизированных ITU-T параметров, что наблюдается в интерфейсах пользователь/сеть. Такой нисходящий перевод сделан для каждой широкой категории пользовательских приложений и должен обеспечить изменчивость в функциональности терминала и работе. Второй «восходящий» метод переводит технические спецификации,

определяющие возможности и ограничения отдельных сетевых элементов в числовые значения тех же самых, стандартизированных ITU-T параметров работы, наблюдаемых в тех же самых интерфейсах пользователь/сеть. Восходящий перевод основан на базовых конфигурациях, идентифицирующих типичные связи сетевых путей (линий) и узлов, и

наихудших значенях ключевых переменных типа географических расстояний между сетевыми интерфейсами. В разделенных сетях также должны рассматриваться и другие переменные, такие как пропускная способность сети, предполагаемый трафик и механизмы управления ресурсами. В идеале, восходящий и нисходящий методы производят наложение диапазонов значений для стандартизированных параметров, из которых одна или более характеристика может быть специфицирована.

Процесс выбора числовых характеристик работы был особенно трудоемким в случае рекомендации У.1541. По нисходящей перспективе ключевой проблемой было охватить разнообразнейший набор пользовательских приложений и терминалов. Участники 13-й

исследовательской группы были в состоянии ограничить и сегментировать пространство приложений, систематически рассматривая для каждого приложения функциональные

80

отношения между удовлетворением пользователя и значениями параметров рекомендации У.1541. Нисходящий анализ был значительно облегчен близкой связью с 12-й

исследовательской группой, которая уже много лет специализировалась по вопросам воспринимаемости качества и принятия конечным пользователем определенных приложений и медиа (например, речь, изображение, текст) при ухудшении сетевой передачи, принимая во внимание работу телефонного, аудиовизуального и интерактивного голосового терминалов.

13-я исследовательская группа получила серьезную поддержку в виде информации относительно восходящего подхода от сетевых провайдеров по характеристикам возможностей работы, ограничениям доступных сетевых элементов и определению реалистичных базовых конфигураций.

Восходящий и нисходящий анализы быстро подтвердили, что не существует единственного набора уровней работы 1Р-сети, который мог бы экономно поддерживать все предполагаемые приложения для будущих, основанных на 1Р-инфраструктуре сетей;

соответственно, 13-я исследовательская группа взяла на себя ответственность по определению нескольких наборов характеристик работы - классов ОоS рекомендации

Y.1541.

Выбор классов ОоS, которые должны были быть включены в Y.1541, обсуждался на 4-

й рабочей встрече 13-й исследовательской группы на протяжении нескольких заседаний.

В ранних дискуссиях участники рассматривали подход, касающийся каждого параметра,

который позволял бы пользователям определять значения для каждого параметра независимо. Однако все довольно быстро согласились, что разрешение подобной свободы выбора будет слишком сложно осуществить. Фактически имелось четкое согласие, что число различных классов QoS, специфицированных в Y.1541, должно быть строго ограничено, чтобы избежать чрезмерного усложнения рекомендации (и, что более важно,

сетевых технологий, требуемых для реализации этого). Для обеспечения наибольшего охвата группа согласилась, что определенные классы должны все вместе охватить широкий набор приложений и высокий процент нужд пользователей на отсталых IP-сетях.

В дополнение к традиционным приложениям Интернет сюда же включены телефония точка-точка, мультимедийные телеконференции и интерактивная передача данных

(например, сигнализации). Группа заключила, что потребности некоторых, особо требовательных приложений (например, видео реального времени высокого разрешения,

широкополосные TCP соединения) пока не будут отражены в стандартных классах. Было согласовано, что каждый класс QoS должен охватывать группу приложений с подобными требованиями работы, значительно отличающимися от требований других классов. И

81